INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD TICOMÁN
CIENCIAS DE LA TIERRA
SEMINARIO DE ACTUALIZACIÓN CON OPCIÓN A TITULACIÓN DE PERFORACIÓN, TERMINACIÓN Y REPARACIÓN DE POZOS PETROLEROS
T E S I S
SELECCIÓN DE BARRENAS PARA LA PERFORACIÓN DE POZOS PETROLEROS
A FIN DE OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO GEOLÓGO:
PRESENTA
HERNÁNDEZ TOVAR ADRIANA
DIRECTORES DE TESIS
ING. TORRES HERNÁNDEZ MANUEL ING. MORFÍN FAURE ALBERTO ENRIQUE
CIUDAD DE MÉXICO FEBRERO 2019
AGRADECIMIENTOS
A Dios por darme otra oportunidad de vivir, de disfrutar a mi familia y a la vida.
A mis padres por brindarme siempre apoyo y amor incondicional, qué con su ímpetu y esfuerzo pude estudiar ésta carrera, que con admiración son mi ejemplo a seguir, me enseñan día a día a salir adelante y no rendirme.
A mi hijo por ser paciente, comprensivo, qué con mucho amor es mi principal motivación y mi inspiración para ser mejor persona.
A mis abuelos que con mucho cariño y respeto me enseñaron a superarme, que desde mi niñez me motivaron a estudiar una carrera en el IPN, y que donde quiera que estén los recordaré siempre como mis segundos padres.
A mi abuela que me enseñó que no existen obstáculos, si no retos para mejorar, qué es importante tener constancia y dedicación en todos los proyectos que se hagan y siempre tener los pies en la tierra.
A mis bisabuelos por ser amorosos conmigo y enseñarme el valor de la familia.
A mi familia que me preparó para enfrentar la vida como se presente, a ver a las personas sin etiquetas, el valor de la honestidad y unión.
A mis tíos qué siempre me enseñaron el valor del trabajo y respeto.
A mis primos que me enseñan el valor de la hermandad.
A mis amigos porque siempre me dieron ánimos en los momentos difíciles, por enseñarme el valor de la fraternidad.
En especial a mis maestros que me apoyaron incondicionalmente, que con vocación y dedicación valoraron mi esfuerzo y mi trabajo.
ÍNDICE RESUMEN ABSTRACT OBJETIVO
INTRODUCCIÓN
CAPÍTULO 1
CONCEPTOS GENERALES ... 1
1.1 MINERALOGÍA ... 1
1.2 PROPIEDADES MECÁNICAS DE LAS ROCAS ... 1
1.3 DEFINICIÓN DE BARRENA ... 6
1.4 CLASIFICACIÓN DE BARRENAS ... 6
1.4.1 BARRENAS TRICÓNICAS ... 7
1.4.2 MECANISMOS DE CORTE DE LAS BARRENAS TRICÓNICAS ... 10
1.4.3 COJINETE Y SELLO ... 12
1.4.4 ALMACÉN DE GRASA ... 13
1.4.5 CLASIFICACIÓN IADC PARA BARRENAS TRICÓNICAS ... 14
1.4.6 BARRENAS DE CORTADORES FIJOS ... 17
1.4.7 MECANISMOS DE CORTE ... 18
1.5 PERFIL DE LA BARRENA ... 20
1.6 DIÁMETRO DE BARRENA ... 21
1.7 CLASIFICACIÓN IADC PARA BARRENAS DE CORTADORES FIJOS ... 22
1.8 HOJA TÉCNICA PARA BARRENAS TRICÓNICAS Y PDC ... 24
1.9 HOJA TÉCNICA DE BARRENA ... 30
1.10 TIEMPO DE OPERACIÓN DE LA BARRENA ... 32
CAPÍTULO 2 CONCEPTOS Y PARÁMETROS DE PERFORACIÓN QUE INFLUYEN EN EL RENDIMIENTO DE LA BARRENA ... 33
2.1 CONDICIONES DE OPERACIÓN ... 33
2.1.1 GASTO ÓPTIMO DE OPERACIÓN (GPM) ... 34
2.1.2 PESO SOBRE LA BARRENA (WOB) ... 37
2.1.3 REVOLUCIONES POR MINUTO (RPM) ... 39
2.1.4 TORQUE Y ARRASTRE ... 40
2.2 DISEÑO DEL ENSAMBLE DE FONDO ... 43
2.2.1 TUBERÍA PESADA ... 43
2.2.2 LASTRABARRENAS ... 44
2.3 LITOLOGÍA ... 45
2.3.1 LUTITA ... 46
2.3.2 ARENISCAS ... 46
2.3.3 CARBONATOS ... 48
CAPÍTULO 3 CRITERIOS DE SELECCIÓN DE BARRENAS ... 49
3.1 MÉTODOS DE SELECCIÓN DE BARRENAS ... 49
3.2 OBJETIVOS DE LA PERFORACIÓN ... 50
3.3 RENDIMIENTO ... 50
3.4 DIRECCIONAL ... 50
3.5 ECONOMÍA ... 51
3.6 ÉNFASIS EN LOS COSTOS ... 51
3.7 ANÁLISIS HISTÓRICOS ... 51
3.8 COEFICIENTE DE PENETRACIÓN TÍPICO ... 52
3.9 FLUIDOS DE PERFORACIÓN ... 52
3.10 ENERGÍA HIDRÁULICA... 53
3.11 RESTRICCIONES EN LA PERFORACIÓN ... 53
3.12 LIMITACIONES DE PESO SOBRE LA BARRENA ... 53
3.13 ESCALAS EN REVOLUCIONES POR MINUTO (RPM) ... 53
3.14 FORMACIONES NODULARES ... 54
3.15 AMPLIACIÓN ... 54
3.16 POZOS PROFUNDOS ... 54
3.17 POZOS DE DIÁMETRO REDUCIDO ... 54
3.18 APLICACIÓN CON MOTOR ... 55
3.19 ATRIBUTOS DEL MEDIO AMBIENTE ... 55
3.20 TIPO DE ROCA ... 56
3.21 CRITERIOS LITOLÓGICOS ... 56
3.22 CARACTERÍSTICAS LITOLÓGICAS ... 56
3.23 DE TRANSICIÓN ... 56
3.24 HOMOGENEIDAD ... 56
3.25 INTERESTRATIFICACIÓN ... 57
3.26 TENDENCIAS A LA DESVIACIÓN ... 57
3.27 VIBRACIÓN ... 57
3.28 SELECCIÓN POR MEDIO DE REGISTROS GEOFÍSICOS ... 58
CAPÍTULO 4
CASO DE APLICACIÓN ... 59
4.1 INFORMACIÓN PRELIMINAR PARA LA SELECCIÓN DE BARRENAS ... 59
4.2 LOCALIZACIÓN DEL POZO AH ... 59
4.3 FORMACIÓN TAMPICO MISANTLA ... 60
4.3.1 ÚBICACIÓN FORMACIÓN TAMPICO MISANTLA ... 60
4.3.2 INFORMACIÓN DE POZOS ... 62
4.3.3 COBERTURA SÍSMICA ... 64
4.3.4 ESTUDIOS MAGNETOMÉTRICOS ... 66
4.3.5 GRAVIMETRÍA ... 67
4.3.6 MARCO CONVENCIONAL ... 68
4.3.7 ELEMENTOS TECTÓNICOS ... 70
4.4 FORMACIÓN CHICONTEPEC ... 72
4.5 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL POZO AH ... 76
4.6 INFORMACIÓN DE POZOS VECINOS ... 79
4.7 REGISTRO DE BARRENAS ... 79
4.8 SELECCIÓN EN FUNCIÓN DE LA FORMACIÓN PERFORADA EN POZOS VECINOS ... 84
4.9 SELECCIÓN POR MEDIO DE REGISTROS GEOFÍSICOS DE POZOS VECINOS ... 85
4.10 PERFIL DIRECCIONAL ... 85
4.11 POZO AT ... 88
4.12 ESPECIFICACIONES DE LAS BARRENAS A USARSE ... 91
4.13 HIDRÁULICA ... 100
4.14 ANÁLISIS DE RENDIMIENTO DE CADA BARRENA. ... 102
CONCLUSIONES RECOMENDACIONES ANEXO
1 POZO AH
2 POZO AT, POZO VECINO BIBLIOGRAFÍA
ÍNDICE DE FIGURAS CAPÍTULO 1
CONCEPTOS GENERALES
Figura 1 Cuencas petroleras de México ... 3
Figura 2 Columna estratigráfica del Noreste de México ... 4
Figura 3 Columna estratigráfica del Sureste de México ... 5
Figura 4 Tipos de barrenas ... 6
Figura 5 Partes de una barrena con cortadores PDC ... 7
Figura 6 Partes de una barrena tricónica ... 8
Figura 7 Partes de una barrena tricónica ... 8
Figura 8 Clasificación de las barrenas tricónicas ... 9
Figura 9 Clasificación de las barrenas tricónicas ... 10
Figura 10 Formación del corte ... 11
Figura 11 Remoción del corte ... 11
Figura 12 Movimiento del corte dependiendo el tipo de barrena ... 12
Figura 13 Tipos de cojinetes ... 13
Figura 14 Almacén de grasa ... 14
Figura 15 Ubicación de los cortadores dependiendo de su forma ... 18
Figura 16 Tipos de barrenas de cortadores fijos que se usan en el mecanismo de corte ... 19
Figura 17 Tipos de barrenas de cortadores fijos que se usan en el mecanismo de corte ... 19
Figura 18 Tipos de perfiles de barrenas de cortadores fijos ... 20
Figura 19 Tamaño del diámetro ... 21
Figura 20 Código IADC para la clasificación del desgaste de barrenas ... 24
Figura 21 Desgaste de una barrena con uno o más conos que muestran fisuras, pero estos permanecen en su lugar. Es causado por la aplicación excesiva de peso, tiempo, impactos, fatiga térmica sobre la barrena, o por el ambiente de perforación ... 25 Figura 22 Pruebas en barrenas ... 26 Figura 23 Desgaste en cortador PDC ... 26 Figura 24 Desgaste en cortador PDC. Se caracteriza por la obstrucción de uno o más canales de flujo que disminuye o impide el flujo de lodo. Que es causada por el tipo de formación, barrena con muchas aletas, no tener un buen diseño hidráulico, presentar intercalaciones litológicas, alto WOB, o baja tasa de flujo. .. 27 Figura 25 Ejemplo de hoja de desgaste para barrenas tricónicas ... 28 Figura 26 Ejemplo de hoja de desgaste para barrenas de cortadores PDC ... 29 Figura 27 Ejemplo de hoja técnica de la barrena ... 31
CAPÍTULO 2
CONCEPTOS Y PARÁMETROS DE PERFORACIÓN QUE INFLUYEN EN EL RENDIMIENTO DE LA BARRENA
Figura 28 Clasificación de rocas detríticas ... 47
CAPÍTULO 3
CRITERIOS DE SELECCIÓN DE BARRENAS
Figura 29 Pozo direccional ... 51 Figura 30 Vibración en la sarta de perforación ... 57
CAPÍTULO 4
CASO DE APLICACIÓN
Figura 31 Diagrama mecánico del pozo ... 78
Figura 32 Barrena de 26 pulgadas GTX-CG1 a 300 pies ... 91
Figura 33 Barrena de 16 pulgadas GTX-C1 a 500 pies ... 92
Figura 34 Barrena de 16 pulgadas HCD605 a 5757 pies ... 93
Figura 35 Barrena de 16 pulgadas HCD605 a 5757 pies ... 93
Figura 36 Barrena de 12 ¼ pulgadas HCD605X a 7762 pies ... 94
Figura 37 Barrena de 12 ¼ pulgadas HCD605X a 7762 pies ... 95
Figura 38 Barrena Tricónica de 12 ¼ pulgadas MXL-CS20DX1 ... 96
Figura 39 Barrena de 12 ¼ pulgadas HC604S a 9308 pies ... 97
Figura 40 Barrena de 12 ¼ pulgadas HC604S a 9308 pies ... 97
Figura 41 Barrena de 8 ½ pulgadas HCM506Z a 10785 pies ... 98
Figura 42 Barrena de 8 ½ pulgadas HCM506Z a 10785 pies ... 99
ÍNDICE TABLAS CAPÍTULO 1
CONCEPTOS GENERALES
Tabla 1 Escala de dureza de Mohs ... 2 Tabla 2 Código IADC para barrenas Tricónicas ... 16 Tabla 3 Clasificación IADC para barrenas PDC ... 23
CAPÍTULO 2
CONCEPTOS Y PARÁMETROS DE PERFORACIÓN QUE INFLUYEN EN EL RENDIMIENTO DE LA BARRENA
Tabla 4 Clasificación de rocas sedimentarias detríticas ... 47
CAPÍTULO 4
CASO DE APLICACIÓN
Tabla 5 Contiene información general para la cuenca Tampico-Misantla ... 62 Tabla 6 Bitácora de la perforación ... 83 Tabla 7 Hidráulica de la barrena 12 ¼ pulgadas a 8363 pies…………..…….…..100 Tabla 8 Hidráulica de una barrena 8 ½ pulgadas a 10785 pies ... 101
ANEXO
Tabla 9 Geología estimada
ÍNDICE GRÁFICAS CAPÍTULO 2
CONCEPTOS Y PARÁMETROS DE PERFORACIÓN QUE INFLUYEN EN EL RENDIMIENTO DE LA BARRENA
Gráfica 1 Comportamiento del costo en función a los pies perforados ... 33
Gráfica 2 Eficiencia en el transporte de recortes vs velocidad anular ... 36
Gráfica 3 Respuesta típica de ROP al cambio de peso sobre la barrena ... 38
Gráfica 4 Respuesta típica de la ROP al cambio de la velocidad de rotación ... 39
Gráfica 5 Variación del Torque con respecto a la inclinación del pozo………...….41
Gráfica 6 Variación del arrastre de la tubería vs profundidad desarrollada ... 42
Gráfica 7 Vista de pozos vecinos en plano de cuadrícula………..…………84
Gráfica 8 Vista en planta de pozo en cuadrícula ... 86
Gráfica 9 Perfil de pozo ... 87
Gráfica 10 Comparación en la velocidad de perforación ... 88
Gráfica 11 Tiempo de Perforación ... 89
Gráfica 12 Presentación por días ... 90
ANEXO
Gráfica 13 Descripción Geológica del pozo AH Gráfica 14 Descripción Litológica del pozo AH Gráfica 15 Descripción Litológica del pozo AH Gráfica 16 Descripción Litológica del pozo AH Gráfica 17 Descripción Litológica del pozo AH Gráfica 18 Descripción Litológica del pozo AH Gráfica 19 Descripción Litológica del pozo AH
Gráfica 20 Descripción Geológica del pozo AT Gráfica 21 Descripción Litológica del pozo AT Gráfica 22 Descripción Litológica del pozo AT Gráfica 23 Descripción Litológica del pozo AT Gráfica 24 Descripción Litológica del pozo AT Gráfica 25 Descripción Litológica del pozo AT Gráfica 26 Descripción Litológica del pozo AT Gráfica 27 Descripción Litológica del pozo AT Gráfica 28 Descripción Litológica del pozo AT
ÍNDICE MAPAS CAPÍTULO 4
CASO DE APLICACIÓN
Mapa 1 Pozo AH localizado en Google Earth ... 60
Mapa 2 Ubicación cuenca Tampico-Misantla ... 61
Mapa 3 Localización de pozos ... 63
Mapa 4 Línea sísmica 2D ... 64
Mapa 5 Cubos sísmicos 3D... 65
Mapa 6 Anomalía magnética de la zona Tampico Misantla ... 66
Mapa 7 Corrección por aire libre Tampico-Misantla………..…..……..…..67
Mapa 8 Golfo de México –corteza ... 68
Mapa 9 Recursos convencionales - Tampico Misantla ... 69
Mapa 10 Discretización de gravedad API ... 70
Mapa 11 Elementos tectónicos ... 72
RESUMEN
En éste documento se tratarán conceptos generales de mineralogía, propiedades mecánicas de las rocas, así como también se menciona la clasificación IADC para barrenas tricónicas, para cortadores fijos y sus respectivas especificaciones.
A fin de conocer los conceptos y parámetros de perforación que influyen en el rendimiento de la barrena tomando en cuenta los criterios para la selección de barrenas que se usan en el caso de aplicación.
ABSTRACT
This document will deal with general concepts of mineralogy, mechanical properties of rocks, as well as the IADC classification for tricone augers, for fixed cutters and their respective specifications. In order to know the concepts and parameters of drilling that influence the performance of the drill auger taking into account the criteria for the selection of drill bits that are used in the case of application.
OBJETIVO
Seleccionar la barrena adecuada a fin de perforar la formación y analizar un gran número de variables que interactúan entre sí, evaluando el desgaste y el rendimiento de las barrenas elegidas.
Así como también conocer la columna litológica de la formación a perforar.
Se analizan las diferentes formaciones a fin de tomar en cuenta las limitaciones en la perforación y la selección de barrenas.
INTRODUCCIÓN
En el mundo la historia de la perforación es importante:
Período de origen, 1888 a 1928.
El equipo rudimentario constaba de torres de madera.
Surge el principio de la perforación rotatoria.
Surgen las primeras barrenas de conos por la empresa Sharp & Hughes en1908.
Se desarrollan los diseños de tuberías de revestimiento (tr) y las cementaciones por la empresa Halliburton en 1904.
Se utilizan las primeras bombas de lodos en 1910.
Se establecen los fluidos de perforación por la National Lead Co. En 1914.
Se perfora el pozo La Pez No. 1 en México en el año de 1904.
Periodo de desarrollo 1928 a 1935.
Se comienza a utilizar equipos de perforación con mayor potencia.
Se desarrollan diseños de barrenas más efectivos.
En 1935 se fabrican las primeras barrenas con carburo de tungsteno en Alemania.
Se llevan a cabo prácticas de cementaciones mejoradas.
Surge el uso de la bentonita en los fluidos de perforación en el año de 1935.
CAPÍTULO 1
CONCEPTOS GENERALES
1.1 MINERALOGÍA
Se encarga del estudio de los minerales (sólidos cristalinos homogéneos) que componen las rocas, analizar sus propiedades físicas y químicas, su composición y su origen.
Para la selección de barrenas se debe valorar la abrasividad de la roca.
Se considera que existe abrasividad si la roca está compuesta por minerales con dureza mayor de seis según la escala de dureza de Mohs. Ésta aumenta dependiendo de la compresibilidad en la roca e influyen en la abrasividad presentada por ésta.
1.2 PROPIEDADES MECÁNICAS DE LAS ROCAS
La mecánica de rocas estudia las propiedades físicas de la roca y la forma en la que éstas responden a modificaciones debidas a operaciones como la perforación.
Dentro de las propiedades físicas más comunes se tiene: fractura, foliación, dureza, elasticidad, densidad, esfuerzos no confinados y esfuerzos confinados.
Fractura: Separación bajo presión, implica debilidad en la roca o material no consolidado que favorece deslizamientos, derrumbes, y caída de bloques.
Foliación: Tendencia de las rocas a fracturarse a lo largo de superficies paralelas muy próximas. Estas superficies suelen estar oblicuas con respecto a los planos de estratificación de la roca.
Dureza: Resistencia de un mineral a la abrasión y el rayado. La dureza de cada especie mineral es constante y puede ser referida o comparada con la escala de dureza de Mohs.
Tabla 1. Escala de dureza de Mohs
Elasticidad: Es la habilidad a fin de resistir y recuperarse de las deformaciones producidas debido a fuerzas. Es una propiedad se relaciona con la cohesión entre minerales.
Peso específico o densidad de la roca: Es la masa sobre la unidad de volumen de los minerales o rocas y depende de los átomos que lo constituyen, por lo que minerales con la misma fórmula química tienen diferentes pesos específicos.
El patrón para calcular las densidades de los fluidos y sólidos, es la unidad del agua 1 cm3 agua= 1 gm/cm3, y el patrón para calcular las densidades de los gases es la unidad del aire 1 m3 aire= 1.293 kg/m3.
Esfuerzos no confinados o esfuerzo uniaxial, se define como la fuerza compresiva de una muestra de roca medida bajo condiciones atmosféricas.
Esfuerzos confinados o esfuerzo triaxial es la fuerza real de la roca bajo condiciones del yacimiento antes de que la roca sea perforada o expuesta a la columna de fluido en el pozo.
Figura 1. Cuencas petroleras de México
Figura 2. Columna estratigráfica del Noreste de México
Figura 3. Columna estratigráfica del Sureste de México
1.3 DEFINICIÓN DE BARRENA
La barrena es el primer elemento de la sarta de perforación, la cual tiene la función del contacto y penetración de que se perfora la formación y es la encargada de cortar, romper y/o triturar la roca mediante movimientos giratorios.
1.4 CLASIFICACIÓN DE BARRENAS
Figura 4. Tipos de barrenas
Aunque las barrenas son capaces de perforar cualquier tipo de formación, la velocidad de perforación y el desgaste que sufren es diferente dado que
depende del tipo de barrena seleccionada. Dentro de cada tipo existen características diferentes, por esto, es necesario tener una idea de cada una de ellas para efectuar una selección adecuada.
En la ingeniería de perforación, las barrenas se clasifican en tricónicas y de diamante policristalino compacto (PDC). A continuación se hace una clasificación, descripción y análisis de cada una:
Figura 5. Partes de una barrena con cortadores PDC
1.4.1 BARRENAS TRICÓNICAS
Las barrenas tricónicas, poseen conos de metal que contienen insertos o dientes maquilados que giran en forma independiente sobre su propio eje, al mismo tiempo que la barrena rota en el fondo del pozo.
Figura 6. Partes de una barrena tricónica
Figura 7. Partes de una barrena tricónica
Cada uno de los conos cuenta con una estructura cortante (dientes de acero resistentes al desgaste, o insertos de carburo de tungsteno) que cortan y trituran, o penetran y rompen la roca, dependiendo de la formación.
Los principales componentes de los conos de una barrena tricónica son:
Estructura cortadora.
Cojinete.
Sello.
Almacén de la grasa.
Existen dos tipos de barrenas de acuerdo a la estructura cortadora: Barrenas de dientes de acero, donde los dientes son fundidos y forjados del mismo cuerpo del cono con bordes de compuestos de carburo resistentes al desgaste y Barrenas con insertos de carburo de tungsteno en los cuales los insertos son formados por separado y colocados a presión en la superficie de los conos.
Las barrenas tricónicas con dientes de acero se utilizan en formaciones blandas con baja resistencia a la compresión. Las que poseen insertos se utilizan para perforar formaciones que van de semiduras a duras semiabrasivas y duras abrasivas.
Figura 8. Clasificación de las barrenas tricónicas
Figura 9. Clasificación de las barrenas tricónicas
1.4.2 MECANISMOS DE CORTE DE LAS BARRENAS TRICÓNICAS
Los elementos de corte de las barrenas tricónicas corresponden a hileras de dientes alrededor de cada cono que se entrelazan sin tocarse con las de los conos adyacentes a manera de engranes.
Este tipo de barrenas, remueve la roca raspándola o triturándola. Los conos giran y realizan una acción de trituración. A medida que los conos se apartan del movimiento giratorio real, las estructuras cortantes penetran y raspan más.
El desplazamiento o excentricidad del cono y la forma del mismo provocan que los conos dejen de girar periódicamente a medida que gira la barrena.
Como resultado, las estructuras cortantes se deslizan en el fondo del pozo y raspan la formación. Los ángulos de desplazamiento varían de 5° para formaciones blandas, a 0º para formaciones duras. Las barrenas para formaciones blandas utilizan estructuras de corte más largas con ángulos de
cortadores cortos en los conos que giran más, provocan una acción de trituración en las formaciones duras.
Figura 10. Formación del corte
Figura 11. Remoción del corte
Figura 12. Movimiento del corte dependiendo el tipo de barrena
1.4.3 COJINETE Y SELLO
Los cojinetes son estructuras que funcionan como un eje alrededor de los cuales giran los conos. Estos elementos son diseñados tomando en cuenta la velocidad de rotación (RPM) y el peso sobre la barrena (WOB). El sello generalmente es un elastómero el cual no permite el contacto entre el fluido de perforación y la parte interna del cono. Generalmente cuenta con partes reforzadas de diferente material para poder resistir el desgaste producido por la rotación del cono.
Dentro del cono se encuentra un sistema de retención formado por balineras, las cuales evitan que el cono se salga de la parte superior de la barrena. Estas
balineras son ingresadas al momento de ensamblar la barrena. Existen varios tipos de cojinetes. Estos pueden ser:
Cojinete de Rodillos: Los cojinetes de rodillos soportan grandes pesos sobre barrena y bajas revoluciones por minuto puesto que las cargas se distribuyen de manera puntual en los rodillos. Estos cojinetes se utilizan en tamaños de barrenas superiores a 12 ¼14.
Cojinete de Fricción: Los cojinetes de fricción soportan altas revoluciones por minuto y bajos pesos sobre la barrena debido a que las cargas se distribuyen de manera uniforme en la superficie del cojinete.
Figura 13. Tipos de cojinetes
1.4.4 ALMACÉN DE GRASA
Permite almacenar la grasa que sirve como lubricante al cojinete y al sistema interno del cono. El objetivo de éste almacén es proveer lubricante en el interior del cono, el cual se mueve dentro de la barrena por diferencial de presión. Cuando existe un cambio de presión dentro de la barrena, se acciona un sello interno que permite el desplazamiento de la grasa.
Físicamente, el almacén de grasa se encuentra en la parte inferior de la pierna de la barrena junto con el compensador de presión conectado por un canal hacia el cojinete.
Figura 14. Almacén de grasa
1.4.5 CLASIFICACIÓN IADC PARA BARRENAS TRICÓNICAS
La asociación internacional de contratistas de perforación (por sus siglas en inglés, IADC), proporciona un método de clasificación de las barrenas tricónicas, con el cual se nombra de una manera estándar cada barrena. El sistema de clasificación permite hacer comparaciones entre los tipos de barrenas que ofrecen los fabricantes.
La clasificación se basa en un código de tres caracteres numéricos.
Primer Carácter (serie de la estructura cortadora 1-8), los caracteres de esta serie indican la dureza de la formación, así como también el tipo de estructura de corte la barrena, ya sea dientes o insertos. Las series del 1 al 3, indican qué barrena tiene dientes de acero. La serie del 4 al 8, indica que la barrena tiene insertos de carburo de tungsteno (TCI). Se considera que en la serie 1 la formación es blanda, aumentando hasta la serie 8, en donde la formación es dura.
El segundo carácter (tipos de estructura cortadora), presenta una clasificación de dureza dentro de la dureza definida anteriormente. Cada serie se divide en cuatro tipos en la mayoría de los casos. El 1 indica que es una formación muy blanda, hasta el 4 que indica una formación muy dura.
Tercer carácter (cojinete/ diámetro), éste carácter indica una descripción interna y externa de la barrena. Hace referencia al diseño del cojinete y a la protección del calibre. Está dividido en siete categorías:
1. Cojinete de rodillo estándar no sellado 2. Cojinete de rodillo enfriado con aire 3. Cojinete de rodillo con diámetro protegido 4. Cojinete de rodillo sellado
5. Cojinete de rodillo sellado con diámetro protegido 6. Cojinete de fricción sellado
7. Cojinete de fricción sellado con calibre protegido
Tabla 2. Código IADC para barrenas Tricónicas
1.4.6 BARRENAS DE CORTADORES FIJOS
A diferencia de las Tricónicas no cuentan con partes móviles. Estas cuentan con cortadores planos en forma de pastilla montados sobre aletas fabricadas del mismo cuerpo de la barrena. Este tipo de barrenas es altamente efectivo para trabajar durante una gran cantidad de horas.
Existen varios tipos de barrenas de cortadores fijos; la mayoría están formadas por cuerpos de carburo de tungsteno con cortadores de diamante policristalino compacto (PDC). Aunque también existen las de cuerpo de acero con cortadores de PDC y las barrenas de cuerpo de carburo de tungsteno y PDC con cortadores de diamantes naturales ó impregnados.
Las barrenas de diamante natural é impregnadas son aptas para formaciones semiduras y extremadamente duras, cuya abrasividad es mediana ó extremadamente alta.
Las barrenas PDC son más adecuadas para formaciones que van de blandas a duras, de baja a alta abrasividad.
Las híbridas combinan la tecnología del PDC y del diamante natural dependiendo de la forma de la barrena, la ubicación de sus cortadores será la que a continuación se esquematiza:
C -Cone (Cono) G -Gauge (Calibre) T -Taper (Flanco)
S -Shoulder (Hombro) N –Nose (Nariz)
Figura 15. Ubicación de los cortadores dependiendo de su forma
1.4.7 MECANISMOS DE CORTE
La barrena PDC es un dispositivo mecánico que se diseña para transmitir energía a fin de perforar cizallando la roca. La perforación es rápida por lo que se requiere menos energía que la usada por las barrenas que necesitan grandes cargas y que ocasionan fallas por compresión en la formación.
Las barrenas de diamante natural y las impregnadas de diamante perforan lentamente pulverizando la roca, lo que hace que ambas requieran una gran carga sobre la barrena y altos esfuerzos de torsión (torque). Estas barrenas deben ser operadas a altas RPM para que su funcionamiento sea óptimo.
En cuanto a las híbridas, éstas combinan los insertos impregnados de diamante natural con los PDC. Cuando las barrenas híbridas son nuevas, los insertos impregnados de diamante no hacen contacto con la formación y las barrenas se desempeñan como barrenas PDC. A medida que los cortadores PDC se desgastan con la formación dura, los insertos de diamante penetran en la formación.
Figura 16. Tipos de barrenas de cortadores fijos que se usan en el mecanismo de corte
Figura 17. Tipos de barrenas de cortadores fijos que se usan en el mecanismo de corte
1.5 PERFIL DE LA BARRENA
El perfil de la barrena se refiere a qué tan altos o bajos están los cortadores de la nariz con respecto al diámetro. A diferencia de las barrenas de conos, las cuales cuentan con perfiles muy similares, las barrenas de cortadores fijos cuentan con cuatro tipos principales. Cada uno de estos se usa para obtener cierto resultado durante la perforación y se selecciona con cuidado.
Las barrenas con perfil parabólico largo y medio se usan principalmente en pozos verticales, mientras que las barrenas con perfil parabólico corto y plano se usan con mayor frecuencia en la perforación de pozos direccionales.
Figura 18. Tipos de perfiles de barrenas de cortadores fijos
1.6 DIÁMETRO DE BARRENA
En una barrena, el diámetro se refiere a la parte más baja de la aleta y se encarga de darle estabilidad a las aletas. Existen diferentes tamaños para el diámetro, lo que depende de su uso (tipo de pozo a perforar) y tamaño de la misma, dado que mientras mayor sea el diámetro de la barrena mayor es la longitud del diámetro.
En esta zona de la barrena es posible la localización de cortadores PDC y/o de protección adicional formada por pastillas PDC adheridas al costado del diámetro. Estas características dependen de la aplicación a la que se somete.
Las barrenas de diámetros muy largos se usan principalmente en pozos verticales y las de calibres cortos en pozos direccionales, aunque esto no es una regla, ya que se tiene que observar en conjunto con esta característica el perfil de la barrena.
Figura 19. Tamaño del diámetro
1.7 CLASIFICACIÓN IADC PARA BARRENAS DE CORTADORES FIJOS
Se usa un código igual que para el de las barrenas tricónicas, de cuatro caracteres para clasificar las barrenas, el primero alfabético y los tres restantes numéricos.
Primer carácter (tipo de cuerpo de la barrena), se indica el material en que se fabrica la barrena. Con una M si es de matriz, y con una S si es de acero.
Segundo carácter (dureza de la formación), presenta la dureza de la formación. La dureza va desde el 1 indica que es una formación blanda, hasta el 7 que indica que se trata de una formación dura.
Tercer carácter (tamaño y tipo de cortador), indica el tipo de cortador y el diámetro de las pastillas PDC. Esta va de dureza de formación blanda a media. De la dureza de formación media-dura a extremadamente dura ya no se usa la pastilla PDC.
Cuarto carácter (perfil de la barrena), indica el perfil de la barrena. Se usa el 1 para perfil plano, hasta el 4 que es el perfil parabólico largo.
Tabla 3. Clasificación IADC para barrenas PDC
Figura 20. Código IADC para la clasificación del desgaste de barrenas
1.8 HOJA TÉCNICA PARA BARRENAS TRICÓNICAS Y PDC
Se reporta el estado de la barrena después de usarse y es posible analizar el desempeño de la barrena, su razón de salida y tipo de daño recibido.
Sirve para comprender mejor la litología del lugar, dado que no todas las formaciones generan el mismo tipo de daño a los cortadores; de igual manera nos indica si la selección de la barrena fue la indicada, dado que un desgaste pequeño o nulo indica que la selección es la correcta, mientras que un desgaste moderado o alto indica que se realizó una mala selección. Esto se debe comparar con los parámetros que se usan durante la perforación a fin de
Existen dos tipos de hojas de desgaste, una para barrenas PDC y otra para tricónicas. Aunque son similares, la hoja de desgaste para barrenas tricónicas presenta la opción de reporte de desgaste de los baleros o sellos para cada uno de sus conos.
La opción anterior no se toma en cuenta en la hoja de desgaste, aunque por lo general cuenta con un espacio en lugar de tres. En este espacio debe ponerse una X. Para ambos casos, tiene que reportarse el valor del desgaste en las hileras interiores y exteriores, así como su característica (dientes gastados, cortadores rotos, cortadores astillados, etc.) y localización del desgaste (nariz, hombro, etc.).
Se reporta también el estado del diámetro, si existen otras características de desgaste y su razón de salida, cualquiera que esta sea (terminar la etapa, toma de registros, poca tasa de penetración, etc.).
Figura 21. Desgaste en una barrena con uno o más conos que muestran fisuras, pero éstos permanecen en su lugar. Es causado por la aplicación excesiva de peso, tiempo, impactos, fatiga térmica sobre la barrena, o por el ambiente de perforación.
Figura 22. Pruebas en barrenas
Figura 23. Desgaste en cortador PDC
Figura 24. Desgaste en cortador PDC. Se caracteriza por la obstrucción de uno o más canales de flujo que disminuye o impide el flujo de lodo. Que es causada por el tipo de formación, barrena con muchas aletas, no tener un buen diseño hidráulico, presentar intercalaciones litológicas, alto WOB, o baja tasa de flujo.
En la siguiente figura se indica como ejemplo dos hojas de desgaste, la primera para tricónicas y la segunda para cortadores PDC.
Figura 25. Ejemplo de hoja de desgaste para barrenas tricónicas
Figura 26. Ejemplo de hoja de desgaste para barrenas de cortadores PDC
1.9 HOJA TÉCNICA DE LA BARRENA
Es un documento en el cual se indica la información que se adiciona por el fabricante respecto a las características, diseño, así como los parámetros operativos que es capaz de soportar.
Dentro de las características de diseño se encuentran: Número de cortadores, tamaño de los cortadores, número de aletas, tipo de rosca, número de toberas, longitud del diámetro, longitud total y longitud del cuello para pesca.
Dentro de los parámetros operativos a los que se puede someter se encuentran: el peso máximo sobre la barrena, la cantidad de revoluciones por minuto, galones por minuto y potencia hidráulica a la que puede manejar.
Figura 27. Ejemplo de hoja técnica de la barrena.
1.10 TIEMPO DE OPERACIÓN DE LA BARRENA
Es estimado principalmente por la relación de penetración esperada, tipo de litología que se espera encontrar y la profundidad final en cada etapa.
En principio es posible suponer que la litología, mientras mayor sea su dureza (arenas o calizas) mayor es el tiempo de perforación, por lo que disminuye la relación de penetración, esto sin tomar en cuenta la longitud del intervalo a perforar. Este último aspecto se combina con la litología y puede llegar a ser muy importante en el momento de hacer una predicción del tiempo de operación, dado que mientras mayor sea el intervalo a perforar y la formación es más dura influye en el desgaste de la barrena, por lo que se tiene una tendencia a disminuir la relación de penetración.
Tomando en cuenta que en este punto solo se tiene información del estado mecánico, el tiempo de operación de la barrena puede ser calculado:
Donde:
To: Tiempo de Operación de la barrena [horas]
L: Longitud del intervalo a perforar [m]
ROP: Tasa de penetración [m/hrs]
CAPÍTULO 2
CONCEPTOS Y PARÁMETROS DE PERFORACIÓN QUE INFLUYEN EN EL RENDIMIENTO DE LA BARRENA
2.1 CONDICIONES DE OPERACIÓN
Existen parámetros y condiciones de logística que pueden influir de diferente manera en el rendimiento y costo de la barrena durante la operación. Es importante definir estos parámetros y condiciones. Los parámetros de perforación se definen como gasto óptimo de operación, peso sobre la barrena, revoluciones por minuto, torque y arrastre. Por otro lado, la mala planeación de la logística de materiales repercute en el abastecimiento de estos, provocando retrasos en la operación.
Estos parámetros no recaen únicamente en la herramienta que se usa sobre la barrena, características geológicas y en la selección misma de la barrena, principalmente en cuestiones operativas las cuales, dependen del personal, pueden ayudar o perjudicar al rendimiento y comportamiento de la barrena.
El costo por pie perforado se determina con la siguiente relación:
Gráfica 1. Comportamiento del costo en función a los pies perforados
Donde:
C: Costo de perforación por pies [$/pies]
R: Corto operativo del equipo de perforación [$/hrs]
T: Tiempo de viaje [horas]
D: Tiempo de perforación [horas]
B: Costo de la barrena [$]
T: Pies perforados [pies]
2.1.1 GASTO ÓPTIMO DE OPERACIÓN (GPM)
Para optimizar el desempeño de la barrena es necesario considerar el gasto de lodo que deben producir las bombas. Esta selección es función de las características del lodo y sus propiedades, diámetro de las toberas, coeficiente de descarga de la barrena y profundidad a perforar. Otro parámetro es el comportamiento del flujo y sus caídas de presión en el espacio anular.
No se debe reducir el gasto mínimo, dado que un gasto bajo puede provocar atascamiento y reduce la limpieza del pozo, provocando la disminución en la relación de penetración, lo que provoca el costo de operación.
Se selecciona una relación de flujo y una presión de circulación que permita una buena limpieza del pozo y potencia adecuada en la barrena, siempre que no exceda la presión máxima permitida en superficie y en el espacio anular es necesario:
Tener bombas capaces de bombear a la velocidad requerida.
Que el gasto no interfiera con el funcionamiento de otras herramientas en la sarta (MWD, LWD).
Que el gasto optimo sea superior a la velocidad anular crítica mínima.
Que el gasto optimo sea inferior a la velocidad anular crítica máxima.
La velocidad anular crítica se considera al tratar de definir el gasto óptimo, dado que es importante evitar la retención de sólidos en el espacio anular, debido a que el incremento en la densidad del lodo puede causar pérdidas de fluido en la formación.
Es posible calcular la velocidad anular crítica con la siguiente fórmula:
Donde:
VC: Velocidad anular crítica [pies/min]
N: Constante de la ley de potencias para el espacio anular W: Densidad del lodo [ppg]
DIaguajero: Diámetro interno de agujero o de la TR [pulgadas]
DEtubería: Diámetro extremo de la tubería [pulgadas]
K: Factor de consistencia para el espacio anular [cp]
Una vez calculada la velocidad anular promedio es posible calcular el gasto crítico con la fórmula siguiente:
Donde:
Q c: Gasto anular crítico [gpm]
V c: Velocidad anular crítica [pies/min].
DI agujero: Diámetro interno de agujero o de la TR [pg]
DE tubería: Diámetro externo de la tubería [pg].
Para calcular los valores de n y k se pueden utilizarlas siguientes fórmulas con la ayuda del viscosímetro FANN.
Gráfica 2. Eficiencia en el transporte de recortes vs velocidad anular.
2.1.2 PESO SOBRE LA BARRENA (WOB)
Es aquel que permite aumentar la relación de penetración dentro de las recomendaciones que marca la directriz de la hoja de especificaciones del fabricante. Es un factor importante en la perforación de los diferentes intervalos, para aumentar o disminuir la relación de penetración, así como optimizar la vida de la barrena. Las exigencias del WOB dependen del tipo y dureza de la formación. Cuando aumenta la fuerza compresiva de la formación, es importante aumentar el peso aplicado a la barrena y bajar la relación de rotación. El WOB no debe aumentarse más de lo que recomiendan las hojas técnicas de las barrenas, dado que esto puede romper los elementos de corte en las barrenas tricónicas y/o PDC, o en el peor de los casos romper una aleta o cono y causar la formación de chatarra en el fondo del pozo.
Si las rocas en la formación son altamente abrasivas, es necesario mantener o reducir ligeramente el WOB y bajar las RPM, dado que esto incrementa el desgaste en los dientes de la barrena.
El WOB debe aumentar a medida que los elementos de corte se desgasten para mantener un óptimo ROP y la estabilidad de la barrena aumenta generalmente cuando se aumenta el WOB. Esto es porque el comportamiento dinámico provoca vibración y la pérdida de calibre. Siempre se debe optimizar el WOB a fin de reducir daños en la barrena, causados por la vibración.
A fin de calcular el peso en la barrena es necesario tomar en cuenta si el pozo es vertical o direccional, para pozos verticales se tiene:
Donde:
WOB: Peso sobre la barrena [lbf]
Ff: Factor de Frotación
WBHA aire: Peso del BHA en el aire [lb]
Fs: Factor de seguridad: 1.15
Para calcular el WOB en pozos direccionales tenemos:
Donde:
WOB: Peso sobre la barrena [lbf]
Ft: Factor de flotación
WBHA aire: Peso del BHA en el aire [lb]
Fs: Factor de seguridad: 1.5
ᶱ: Ángulo de inclinación del pozo [grados]
D: Diámetro externo de la tubería de perforación [pg]
d: Diámetro interno de la tubería de perforación [pg]
H: Diámetro del agujero [pg]
Gráfica 3. Respuesta típica de ROP al cambio de peso sobre la barrena
2.1.3 REVOLUCIONES POR MINUTO (RPM)
Las revoluciones por minuto son el número de vueltas que gira la sarta en un minuto. Si se tiene un motor de fondo la cantidad de RPM total aumentará. Para calcular el número de revoluciones por minuto totales es necesario sumar las vueltas en el equipo superficial y las del motor de fondo.
Donde:
RPMT: Revoluciones por minuto totales [rpm].
RPMS: Revoluciones por minuto del equipo superficial [rpm]
RPMM: Revoluciones por minuto del motor de fondo [rpm]
La cantidad de RPM depende de la dureza y abrasión de la formación. Al aumentar la fuerza compresiva de la formación es necesario bajar las RPM, ya que con RPM más altas es más eficiente la perforación en formaciones blandas. Al contrario, un RPM más bajo es eficiente en formaciones duras o abrasivas ya que minimiza vibraciones y desgaste de los elementos de corte.
Algunas formaciones pueden ser considerablemente blandas pero abrasivas.
Siempre es necesario optimizar las RPM para prevenir vibraciones.
Gráfica 4. Respuesta típica de la ROP al cambio de la velocidad de rotación
2.1.4 TORQUE Y ARRASTRE
El torque puede ser definido de manera simple como la resistencia ejercida por la tubería a girar durante la perforación por el contacto de la tubería con la pared del pozo. En un pozo con trayectoria direccional el torque aumenta.
Se dice que se perfora rotando, cuando se utiliza la mesa rotaria para imprimirle revoluciones por minuto a la sarta, y se le llama deslizar cuando la sarta se encuentra inmóvil mientras se le ajusta la inclinación y el azimut para poder direccionar el pozo, utilizando únicamente con uso del gasto de lodo y el motor de fondo.
Un torque excesivo puede limitar la longitud del intervalo horizontal dado que esto puede ocasionar daño a las juntas o a las conexiones más débiles de la tubería o a las paredes más delgadas de ésta.
Cuando se perfora rotando es cuando el torque es mayor dado que toda la tubería se encuentra en movimiento, al contrario que al estar deslizando, dado que es en esta operación cuando el torque es mínimo.
El aumento del torque se causar por cambios del ángulo del pozo, cambios de formación, incremento en el peso sobre la barrena, entre otros. La disminución del torque se puede deber a cambios en la formación, cambios en la velocidad de rotación, disminución en el peso de la barrena o enderezamiento del ángulo del pozo. El aumento en el torque puede provocar un aumento en el daño que sufren los cortadores, desprender conos o romper aletas.
La fórmula con la que se puede calcular el torque es:
Donde:
Q: Torque [lb-pies]
J: Momento polar inercial [pg 4]= (π/32) (DE 2 -D 12) D: Diámetro externo de la tubería [pg]
Y: Mínima fuerza cedente [psi]
T: Carga tensional [lb]
A: Área de las paredes de la tubería [pg 2]
Gráfica 5. Variación del Torque con respecto a la inclinación del pozo.
El arrastre es entendido como la fricción que sufre la tubería con la pared del pozo.
Se incrementa en pozos direccionales y es mayor mientras más inclinado sea el pozo, siendo el máximo en pozos horizontales. El arrastre mínimo se presenta en pozos verticales o en la sección vertical. El aumento en el arrastre puede provocar desgaste en el diámetro de la barrena, hombro y pérdida de calibre.
Gráfica 6. Variación del arrastre de la tubería vs profundidad desarrollada.
La ecuación para calcular el arrastre es:
Donde:
Ff: Arrastre [lb]
Bf: Factor de flotación
Ws: Peso en el aire por cada pie de la sección de la tubería [lb/pies]
DL: Longitud de partida de una sección de la tubería [pies]
T: Tensión axial [lb]
DL: Severidad [grados/100 pies]
LOS: Longitud de la sección desviada [pies]
µ: Coeficiente de fricción entre la tubería y el pozo [lb/lb]
2.2 DISEÑO DEL ENSAMBLE DE FONDO
El BHA constituye la herramienta principal en el control de direccionamiento de los pozos, dado que la configuración adecuada de sus componentes permite obtener la trayectoria de perforación planificada. Existen muchos elementos que conforman el ensamblaje de fondo, como lo son los lastrabarrenas, la tubería pesada, estabilizadores y demás accesorios como el MWD, LWD, motores, RSS, etc.
2.2.1 TUBERÍA PESADA
Es la componente intermedia del ensamblaje de fondo, sirve de zona de transición entre los lastrabarrenas y la tubería de perforación para minimizar los cambios de rigidez entre los componentes de la sarta. En la perforación direccional es la encargada de dar estabilidad y ayuda a tener mucho menos contactos con la pared del pozo, con lo cual es más fácil direccionarla tubería.
Para calcular la Longitud Mínima de la Tubería Pesada (HWDP) se usa la fórmula:
Donde:
L HWDP: Longitud mínima de la HDWP [pies]
WOB: Peso sobre la barrena [lbf]
DF BHA: Factor de diseño para el sobrepeso
KB: Factor de flotación
ᶱ: Ángulo máximo del pozo [grados]
W DC1: Peso unitario de los lastrabarrenas en la primera sección [lb/pies]
W DC2: Peso unitario de los lastrabarrenas en la segunda sección [lb/pies]
W HWDP: Peso unitario de la tubería pesada [lb/pies]
L DC1: Longitud de la primera sección de lastrabarrenas [pies]
L DC2: Longitud de la segunda sección de lastrabarrenas [pies]
2.2.2 LASTRABARRENAS
Son tubos lisos o en espiral de acero o metal no magnético de espesores significativos, pesados y rígidos, los cuales sirven de unión entre la barrena y las tuberías de perforación. En la perforación direccional se prefieren los de espiral debido a que sus ranuras reducen el área de contacto con la pared, reduciendo la probabilidad de producir pegaduras. Al colocarse en el fondo de la sarta de perforación proporcionan la rigidez y el peso suficiente a fin de producir la carga requerida sobre la barrena para una penetración más efectiva de la formación.
Los lastrabarrenas tienen las siguientes funciones:
Proporcionar el peso a la barrena.
Soportan y dan rigidez a la parte inferior de la sarta de perforación.
Sirven de apoyo y estabilizador de la barrena.
Para calcular la Longitud Mínima de los lastrabarrenas se tiene:
Y si el pozo es vertical:
Donde:
WOB: Peso sobre la barrena [lbf]
DF BHA: Factor de diseño para el sobrepeso KB: Factor de flotación
ᶱ: Ángulo máximo del pozo [grados]
W DC: Peso unitario de los lastrabarrenas [lb/pies]
2.3 LITOLOGÍA
Para la selección de barrenas el estudio litológico es un factor determinante dado que se consideran las condiciones de operación y características del yacimiento, a fin de obtener el mayor rendimiento posible, tanto en velocidad de penetración como en el rendimiento específico. Las propiedades litológicas inducen diferentes comportamientos a diferentes condiciones así como características de desgaste según el tipo de roca que se esté perforando. Si la intercalación de litologías distintas y de diferente dureza es grande, provoca un efecto de impacto, esto es que cuando la barrena perfora una litología blanda y cambia de manera repentina a una más dura, provoca vibración de ésta contra la formación. Si este tipo de litología son frecuentes causan daño por astillamiento o cortadores rotos.
Éstas características litológicas se observan por medio de registros geofísicos y en correlación con pozos vecinos, aunque también presenta el estado mecánico del pozo a perforar por medio del perfil litológico, estas son estimaciones y podrían variar. El perfil litológico indica el tipo de formación, era geológica, profundidad, coordenadas en superficie del objetivo, presión y temperatura del yacimiento.
2.3.1 LUTITAS
Rocas sedimentarias detríticas cuyos componentes tienen un diámetro inferior a 1/16 mm. Son de gran importancia en cuanto a la selección de barrenas se refiere. Cualquier tipo de barrena es capaz de perforar este tipo de roca, provocando un desgaste normal a la estructura de corte, si el intervalo esperado de lutita es grande es posible usar barrenas con características que generen una mejor relación de penetración (cortadores más grandes, menor número de aletas, etc.) y menos consideraciones con el desgaste, como las que se usan para otro tipo de formación.
Incluso las lutitas comprimidas no presentan mucho problema para la barrena en el momento de perforar, basta con tener la estructura de corte con características para impacto de moderado a bajo y aplicar un poco más de peso sobre la barrena.
2.3.2 ARENISCAS
Rocas sedimentarias detríticas compuestas por un 85 % de granos de cuarzo más o menos redondeados de 1/16 mm a 2 mm. En la perforación son consideradas como rocas muy abrasivas y más si su contenido de cuarzo es muy alto, lo que representa un problema de desgaste en la estructura de corte y en el cuerpo de la barrena, provocando pérdida de diámetro.
Figura 28. Clasificación de rocas detríticas
Tabla 4. Clasificación rocas sedimentarias detríticas
Las formaciones con areniscas son abrasivas y no de impacto, aunque por lo general son duras debido a la cantidad de sílice que contienen.
Un alto contenido de areniscas junto con una compresibilidad alta, obliga a la selección de barrenas con cortadores especialmente fabricados para abrasión. Además es importante saber que una barrena con cuerpo de acero sufre mucho mayor desgaste que una con cuerpo de matriz.
2.3.3 CARBONATOS
Se dividen en calizas y dolomías. Las calizas son rocas carbonatadas que contienen por lo menos un 50% de calcita CaCO3. Las dolomías son rocas carbonatadas que contienen por lo menos un 50% de carbonato del que al menos la mitad se presenta como dolomita (Ca, Mg) (CO3)2.
Las formaciones con alto contenido en carbonatos suelen ser duras y poco abrasivas provocando ruptura y astillamiento de las estructuras de corte.
Así como también el sobrecalentamiento de las barrenas si es que no se aplica el suficiente peso sobre ellas y comienzan a patinar en el fondo del pozo causando una ROP mínima, lo que causa fricción excesiva. Es recomendable usar mayor peso y barrenas con cortadores pequeños a fin de que se soporten mejor y tengan mayor relación de penetración.
En pozos donde se presenta una formación con carbonatos, se usan barrenas con cuerpo de acero, que combinadas con cortadores pequeños son capaces de disminuir el daño a la barrena, por lo que se espera una ROP más estable. Las barrenas con cuerpo de matriz son bastante útiles y también con una buena combinación entre este tipo de cuerpo y tamaño de los cortadores pueden ayudar a la perforación.
CAPÍTULO 3
CRITERIOS DE SELECCIÓN DE BARRENAS
Es importante una buena selección de barrenas dado que se genera una mayor relación de penetración, a fin de reducir los costos de perforación.
Existen diferentes métodos para la selección de barrenas y para estimar la relación de penetración. De entre las metodologías que se usan en la selección de barrenas se tienen las de esfuerzos no confinados y por energía específica.
Muchos modelos, como los de energía específica y el método de Warren modificado se han desarrollado y modificado basándose en el concepto de esfuerzo no confinado, el cual es inversamente proporcional a la relación de penetración, por lo que mientras menor sea el UCS, mayor es la ROP. Muchos de estos modelos predicen la ROP al usar diferentes tipos de barrenas independientemente del tipo de yacimiento que se trate (aceite o gas).
Existen diversos parámetros que afectan la relación de penetración, entre estos se tiene condiciones de operación, tipo de barrenas, litología, la hidráulica y el desgaste de la barrena, entre otros.
3.1 MÉTODOS DE SELECCIÓN DE BARRENAS
Aunque existen diferentes métodos en la selección de barrenas, el uso del método de selección de barrenas por Energía Específica y el de UCS son los que se usan con mayor frecuencia.
El método de UCS (esfuerzo no confinado) calcula la fuerza compresiva de la roca, por lo que se debe elegir diferentes características de la barrena dependiendo de qué tan grande sea esta. El cálculo de la UCS es importante a fin de decidir las características de la barrena, dado sé que usa en la mayoría de los métodos.
En la eficiencia mecánica del método de Energía Específica puede ser calculada con el Esfuerzo No Confinado, siendo estos directamente proporcionales, por lo que es mayor mientras aumente la fuerza compresiva de la formación. Este método no propone directamente las características que debe tener la barrena.
3.2 OBJETIVOS DE LA PERFORACIÓN
Para el proceso de selección es fundamental conocer los objetivos de perforación, que incluyen todo tipo de requisitos especiales del personal para perforar el pozo.
Esta información ayuda a determinar las mejores características de la barrena que requiere la aplicación y a concentrar sus esfuerzos en satisfacer las necesidades y requisitos de perforación.
3.3 RENDIMIENTO
Es perforar el pozo en el menor tiempo posible. Esto significa orientar la selección de barrenas; se busca principalmente la máxima cantidad de metros en un tiempo de rotación aceptable, eliminando así el costoso tiempo del viaje.
3.4 DIRECCIONAL
El tipo de pozo direccional es un criterio importante cuando se deben de seleccionar las características de las barrenas. Estos pozos por lo general tienen secciones homogéneas prolongadas que son óptimas para la aplicación con barrenas de diamante. La densidad de los cortadores, cantidad de aletas, control de la vibración y el calibre de la barrena son parámetros de selección fundamentales cuando se estudian las aplicaciones direccionales.
Figura 29. Pozo direccional
3.5 ECONOMÍA
Es un factor fundamental para la aceptación de los diseños con diamante, siempre y cuando los análisis de costos así lo determinen; en caso contrario se debe seleccionar barrenas tricónicas.
3.6 ÉNFASIS EN LOS COSTOS
La barrena debe tener las cualidades n de aplicación de la compañía perforadora sin aumentar indebidamente su costo. Una barrena de diamante que pueda volver a usarse da lugar a costos más bajos en la perforación.
3.7 ANÁLISIS HISTÓRICOS
Comienzan con una colección de registros o récords de barrenas e información relacionada con el pozo. Un análisis objetivo de los pozos de correlación (pozos offset) ofrece la oportunidad de comprender las condiciones en el fondo del pozo, las limitaciones de su perforación y en algunos casos la adecuada selección de barrenas.
Los registros de barrenas representan lo que se perfora en el pozo objetivo. La información también debe ser actualizada y reflejar los tipos de barrenas recientes, es decir, de menos de dos años de antigüedad, esto no es posible en el caso de pozos de exploración o en los pozos de campos más antiguos que no han sido perforados recientemente. En estos casos, depende principalmente de la información geológica y debe de considerar el primer pozo como una referencia para las recomendaciones en aplicaciones futuras.
3.8 COEFICIENTE DE PENETRACIÓN TÍPICO
Es una indicación de la dureza de la roca, no obstante una selección inadecuada de la barrena puede ocultar las características de dureza de la roca. La barrena más dura, debido a la densidad de sus cortadores o la proyección de sus dientes, tiene un límite superior de coeficiente de penetración determinado por su diseño.
3.9 FLUIDOS DE PERFORACIÓN
El tipo y calidad del fluido de perforación que se usa en el pozo tiene efecto en el rendimiento de la barrena. Los fluidos de perforación base aceite mejoran el rendimiento de las estructuras de corte de la barrena PDC; el rendimiento de diamante natural y del TSP varía según la litología.
El fluido de perforación base agua presenta más problemas de limpieza debido en gran parte, a la reactividad de las formaciones a la fase acuosa del fluido de perforación. Los records pueden determinar la variación y el nivel de efectividad de los fluidos de perforación que se usan en el campo.
3.10 ENERGÍA HIDRÁULICA
El régimen de surgencia de la energía hidráulica es un componente integral, proporciona la limpieza y enfriamiento a la barrena. Se refiere en términos de caballos de fuerza hidráulica por pulgada cuadrada (hydraulic horse power per square inch, HSI) de superficie en todas las secciones del fondo del pozo. Los regímenes de surgencia insuficientes y el índice de potencia hidráulica (HSI) afectan el enfriamiento y pueden provocar daños térmicos en la estructura de los cortadores. La falta de la limpieza sólo hace que la barrena se embole, lo que provoca un rendimiento deficiente o nulo.
3.11 RESTRICCIONES EN LA PERFORACIÓN
Existe una variedad de barreras que impiden el acceso como la formación rocosa difícil, líneas de servicios bajo la superficie o ecosistemas sensibles.
3.12 LIMITACIONES DE PESO SOBRE LA BARRENA
Cuando se encuentran situaciones de PSB limitado, una estructura de corte eficiente como un PDC tiene posibilidades de ofrecer un mayor ritmo de penetración (ROP) que una barrena de conos.
3.13 ESCALAS EN REVOLUCIONES POR MINUTO (RPM)
La velocidad que el personal técnico espera utilizar en la barrena, indica los parámetros de vibración y resistencia al desgaste que se necesitan para mantener un desgaste parejo de la barrena y prolongar su duración. Las barrenas de diamante se pueden utilizar mejor que las de conos a altas velocidades de rotación.
3.14 FORMACIONES NODULARES
Las formaciones de pirita y conglomerados se denominan comúnmente formaciones nodulares. Por lo general, en este tipo de formaciones no se puede utilizar la mayoría de las barrenas de diamante debido al daño por impacto en la estructura de sus cortadores. Sin embargo, existen estructuras de corte que pueden perforar eficazmente en estas aplicaciones.
3.15 AMPLIACIÓN
Si se planifica más de dos horas de operación de ampliación, se debe considerar seriamente la corrida de una barrena de conos. El ensanche excesivo puede dañar la superficie del calibre de una barrena de diamante porque las cargas de la barrena se concentran en una superficie pequeña.
La vibración lateral también se debe considerar. La estructura de corte está parcialmente engranada y por lo tanto hay escasas oportunidades para que las características del diseño de la barrena puedan funcionar.
3.16 POZOS PROFUNDOS
Estos pozos pueden resultar en una cantidad desproporcionada de tiempos de viaje con respecto al tiempo de perforación. Como resultado, la eficiencia de perforación es extremadamente reducida. Se debe considerar una barrena de diamante para ofrecer mayor duración de la barrena (menos viajes) y una mejor eficiencia general de la perforación.
3.17 POZOS DE DIÁMETRO REDUCIDO
Si el pozo tiene menos de 6 ½ pulgadas, se necesita una reducción física del tamaño de los cojinetes en todas las barrenas de conos. Estas limitaciones requieren una reducción de PSB, que resultará en un mayor coeficiente de
penetración. Se debe considerar una barrena de diamante para aumentar el coeficiente de penetración y para permanecer en el pozo durante periodos prolongados.
3.18 APLICACIÓN CON MOTOR
Algunos motores dentro del pozo funcionan a altas velocidades (a más de 250 RPM). Las excesivas RPM aumentan la carga térmica en los cojinetes y aceleran la falla de la barrena. Se debe considerar una barrena de diamante, que no tiene partes móviles, para optimizar las RPM y los objetivos de perforación.
3.19 ATRIBUTOS DEL MEDIO AMBIENTE
Para lograr una selección de las barrenas en el pozo que se va a perforar es necesario analizarlo por secciones que se puedan manejar. El más evidente es el diámetro del pozo. Luego se debe subdividir cada sección del pozo en intervalos con atributos comunes respecto a su medio ambiente. El rendimiento económico es una función del costo operativo, el costo de las barrenas, coeficiente de penetración e intervalo perforado. Los atributos del medio ambiente pueden dividirse según categorías de parámetros en cuanto al tipo de roca, medio ambiente y operativos.
3.20 TIPO DE ROCA
Si se cuenta con datos precisos sobre las formaciones que debe perforarse en el intervalo de interés, se debe seleccionar con más facilidad la estructura óptima de corte y la densidad que requiere la aplicación.
3.21 CRITERIOS LITOLÓGICOS
Se necesita para determinar la mejor selección. Definidos los tipos de rocas se asocian más con la mecánica de corte de las barrenas de diamante. Sin embargo, para las aplicaciones de diamante quizás sean aún más importantes los tipos litológicos desfavorables, que seguramente provocan fallas graves. El tipo de roca ayuda a determinar el tipo de corte necesario para vencer su resistencia: corte, surcado o molido.
3.22 CARACTERÍSTICAS LITOLÓGICAS
Para las barrenas de diamante se debe indicar la densidad requerida para los cortadores, la configuración hidráulica y estimar la duración de la barrena y su coeficiente de penetración.
3.23 DE TRANSICIÓN
Indica cambios en la dureza de la formación del intervalo principal. Provoca cargas disparejas en el perfil de la barrena a través de la transición. Las vibraciones axiales, de torsión y laterales son factores en este medio ambiente. La calidad y la densidad específica de los cortadores constituyen el criterio de selección.
3.24 HOMOGENEIDAD
Indica la consistencia de la formación. Existe más flexibilidad de selección como menor densidad de los cortadores. Para las barrenas tricónicas sólo basta escogerlas de acuerdo con la dureza de la roca.
